Sensibilità alla luce: Sony IMX183 vs Onsemi AR2020
Gaspar van Elmbt
La sensibilità alla luce è un parametro fondamentale nella selezione di telecamere industriali per applicazioni di imaging in condizioni di scarsa illuminazione. Questo articolo presenta una valutazione comparativa di due sensori: il Sony IMX183 e l'Onsemi AR2020, come implementati nelle telecamere MER2-2000-19U3M e MER2-2002-20U3M, rispettivamente.
Attraverso l’analisi di test effettuati regolando il guadagno, variando i tempi di esposizione e l’amplificazione del segnale digitale, lo studio rivela la sensibilità alla luce dei due sensori in condizioni di illuminazione difficili.
Table of contents
| Modello di Telecamera | MER2-2000-19U3M | MER2-2002-20U3M |
|---|---|---|
|
Sensore |
Sony IMX183 Rolling Shutter CMOS |
Onsemi AR2020 Rolling Shutter CMOS |
|
Risoluzione |
5496 x 3672 |
5120 x 3840 |
|
Pixel totali |
20.48 MP |
20 MP |
|
Dimensione pixel |
2.4 um |
1.4 um |
|
Formato ottico |
1" |
1/1.8" |
|
SNR |
42.08 dB |
39.41 dB |
|
Intervallo di guadagno standard |
0 dB - 24 dB |
0 dB - 24 dB |
|
Guadagno (se si utilizza Rimuovi limiti dei parametri) |
0 dB - 27 dB |
0 dB - 50.6 dB |
|
Tempo di esposizione standard |
12us - 1s |
26us - 1s |
|
Esposizione (se si utilizza Rimuovi limiti dei parametri) |
12us - 15s |
26us - 15s |
|
Profondità in bit dei pixel |
8-bit, 12-bit |
8-bit, 12-bit |
Influenza di Gain, Exposure e Digital Shift su IMX183 vs AR2020
Test di sensibilità alla luce IMX183 vs AR2020
Test di base di IMX183 vs AR2020
Impostare il guadagno su 0dB. Questo fornisce una base senza rumore aggiuntivo dovuto all'amplificazione.
Per stabilire una misura fondamentale della sensibilità alla luce nativa, entrambe le telecamere sono state testate a guadagno zero (0 dB). I tempi di esposizione sono stati aumentati progressivamente da 40 ms a 50 ms e lo shift digitale (la capacità interna del sensore di amplificare l’uscita digitale) è stato applicato progressivamente fino al massimo consentito da ciascun modello.
- Con un'esposizione di 40 ms senza guadagno, entrambi i sensori hanno prodotto immagini relativamente scure con visibilità limitata della tabella.
- Aumentando l'esposizione a 50 ms e applicando il massimo spostamento digitale, il sensore Onsemi AR2020 ha mostrato immagini sensibilmente più luminose e con un contrasto superiore rispetto al sensore Sony IMX183 nelle stesse condizioni di test.
- Il sensore IMX183 ha richiesto uno spostamento digitale più aggressivo e un'esposizione più lunga per raggiungere una luminosità dell'immagine simile, indicando una sensibilità di base relativamente inferiore.
Questo test iniziale ha dimostrato il vantaggio dell'AR2020 nel rilevare livelli di luce più bassi in modo più efficace.
Test del guadagno digitale di IMX183 vs AR2020
Nella fase successiva, entrambi i sensori sono stati testati al massimo guadagno analogico (24 dB) con un tempo di esposizione fisso di 10 ms.
All'aumentare del guadagno analogico da 12 dB a 24 dB, entrambe le telecamere mostrano un chiaro aumento della luminosità dell'immagine a ogni incremento di guadagno. I dettagli del test chart diventano gradualmente più visibili in entrambe le telecamere.
- Guadagno di 12 dB:
Entrambi i sensori producono immagini scure con solo deboli dettagli della tabella visibili. L'AR2020 offre una luminosità leggermente più uniforme; l'IMX183 appare complessivamente più scuro.
- Guadagno di 18 dB:
La luminosità migliora notevolmente per entrambe le telecamere, rendendo la tabella più visibile. L'AR2020 mantiene un leggero vantaggio in termini di luminosità e contrasto. Il rumore diventa più evidente, soprattutto nelle aree scure.
- 24 dB Guadagno (Massimo):
Entrambe le telecamere raggiungono le immagini più luminose con la massima visibilità dei dettagli. L'AR2020 mantiene un contrasto leggermente superiore. Tuttavia, il rumore e la grana aumentano significativamente, soprattutto nelle aree di sfondo e a basso contrasto, riducendo la chiarezza dei dettagli fini in entrambi i sensori.
Test di spostamento digitale di IMX183 vs AR2020
Qui, entrambe le telecamere industriali sono impostate al loro guadagno massimo predefinito (24 dB), variando sia il tempo di esposizione che i valori di digital shift.
- Guadagno massimo + Digital Shift iniziale:
Con un'esposizione di 10 ms e digital shift minimo (shift 1), entrambe le telecamere mostrano una luminosità e un contrasto simili, con la chart di test moderatamente visibile.
Non vi è alcun vantaggio dominante in nessun sensore con questa impostazione.
- Guadagno massimo + Digital Shift massimo:
Con un'esposizione di 10 ms e il massimo digital shift (shift 4 per IMX183, shift 2 per AR2020), l'immagine del sensore IMX183 diventa estremamente luminosa, quasi sovraesposta, mentre il sensore AR2020 rimane ben bilanciato con buoni dettagli e contrasto.
Ciò suggerisce che l'ampia gamma di digital shift disponibile nel sensore IMX183 può amplificare il segnale dell'immagine in modo più aggressivo, ma potenzialmente a scapito della gamma dinamica e con il rischio di sovraesposizione.
Poiché l'immagine appare sovraesposta alle impostazioni massime di guadagno e digital shift, ridurre il tempo di esposizione può aiutare a migliorare la conservazione dei dettagli.
- Bassa esposizione + Massimo Digital Shift:
Con un tempo di esposizione molto basso (3 ms), guadagno massimo e massimo digital shift, entrambi i sensori recuperano bene la luminosità e i dettagli della tabella, anche se l’IMX183 appare nuovamente più luminoso rispetto all’AR2020.
L’AR2020 mantiene più gradazioni tonali, mentre l’IMX183 tende verso i toni medi più chiari.
- Bassa esposizione + Spostamento digitale uguale:
Quando entrambe le telecamere sono impostate sullo stesso spostamento digitale (shift 2), con esposizione molto bassa e guadagno massimo, i loro livelli di luminosità diventano simili, ma l'AR2020 generalmente preserva leggermente meglio dettaglio e contrasto.
Questo confronto evidenzia che, sebbene il sensore IMX183 consenta una maggiore amplificazione digitale, l'AR2020 mantiene un migliore equilibrio tra luminosità e dettaglio, risultando più efficace nel preservare la qualità dell'immagine in condizioni di forte spostamento digitale.
Espansione dell'intervallo di guadagno: utilizzo della rimozione dei limiti dei parametri per la massima sensibilità
I parametri della Telecamera hanno generalmente limiti definiti in fabbrica per garantire prestazioni ottimali e un'elevata qualità dell'immagine. Tuttavia, per specifiche applicazioni, gli utenti potrebbero aver bisogno di estendere questi intervalli. La funzione "Rimuovi limiti dei parametri" consente di ampliare l'intervallo regolabile di alcuni parametri oltre i valori predefiniti di fabbrica.
Quando questa funzione viene applicata, il guadagno massimo consentito viene esteso come segue:
- MER2-2000-19U3M: da 0 dB fino a 27 dB
- MER2-2002-20U3M: da 0 dB fino a 50,6 dB
Per evitare la sovraesposizione a guadagno molto elevato (50,6 dB), il tempo di esposizione della MER2-2002-20U3M viene ridotto da 10 ms a 0,5 ms
A questi livelli di guadagno estesi, il rumore diventa un fattore critico. Le immagini acquisite a 50,6 dB di guadagno sull'AR2020 mostrano grana e rumore, che persistono anche quando altri parametri vengono adeguati.
Al contrario, l'IMX183 produce un'immagine più pulita ma visibilmente più scura, priva dell'incremento di luminosità nonostante l'estesa gamma di guadagno.
Nello scenario di test finale, in cui entrambi i sensori operano al massimo guadagno, shift digitale e parametri di esposizione, le immagini risultano fortemente sovraesposte con perdita di dettaglio nelle alte luci e nelle aree luminose.
Bilanciare questi parametri è essenziale: sebbene rimuovere i limiti consenta di spingere ulteriormente la sensibilità, ciò accentua anche il rumore e il potenziale degrado dell’immagine, soprattutto nel sensore AR2020 a guadagni molto elevati.
Conclusioni sulla sensibilità alla luce di IMX183 rispetto ad AR2020
Il sensore Onsemi AR2020 generalmente dimostra una sensibilità alla luce superiore rispetto al Sony IMX183. Fornisce immagini più luminose, nitide e con contrasti più marcati, mantenendo più dettagli in condizioni di scarsa illuminazione. Sebbene gestisca efficacemente il guadagno e lo shift digitale, il rumore dell'immagine aumenta in modo significativo a impostazioni estreme.
Al contrario, l’IMX183 richiede tempi di esposizione più lunghi o uno shift digitale più aggressivo per raggiungere una luminosità simile, ma produce immagini più pulite e con meno rumore. Tuttavia, è più soggetto a sovraesposizione e perdita di dettagli nelle alte luci quando viene spinto oltre certi limiti.
In sintesi, sia il sensore IMX183 che l’Onsemi AR2020 offrono vantaggi distinti. La scelta migliore dipende dai requisiti specifici di imaging in condizioni di scarsa illuminazione.
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